TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Bộ môn Động cơ đốt trong ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH Ô TÔ 2 ĐỀ TÀI Tính toán động cơ 3D6 và kiểm bền piston Giáo viên hướng dẫn ThS Nguyễn Duy Tiến Sinh viên thực hiện Kiều Văn Long MSSV 20185843 Kì học 20211 Chữ ký GVHD Hà Nội, 32022 SV Kiều Văn Long GVHD Nguyễn Duy Tiến Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 2 LỜI NÓI ĐẦU 6 PHẦN I Tính toán chu trình công tác động cơ đốt trong 7 1 Giới thiệu tính toán chu trình công tác động cơ đốt trong – tính.
Tính toán chu trình công tác động cơ đốt trong
Giới thiệu tính toán chu trình công tác động cơ đốt trong – tính toán nhiệt
Tính toán nhiệt động cơ đốt trong chủ yếu dựa vào lý thuyết đồ thị công chỉ thị, nhằm thiết kế động cơ thông qua việc xác định các thông số nhiệt động lực học của chu trình công tác Các quá trình trong chu trình này bao gồm nhiều yếu tố quan trọng, ảnh hưởng đến hiệu suất và hoạt động của động cơ.
Mỗi quá trình nhiệt động được xác định bởi các thông số trạng thái như nhiệt độ, áp suất và thể tích của môi chất công tác (MCCT) ở đầu và cuối quá trình Dựa trên lý thuyết nhiệt động lực học, nhiệt động hóa học và lý thuyết động cơ đốt trong, ta có thể xác định giá trị của các thông số này.
Để đánh giá tính năng của chu trình, cần tính toán các thông số quan trọng như áp suất chỉ thị trung bình (pi), áp suất có ích trung bình (pe), công suất chỉ thị (Ni), công suất có ích (Ne), hiệu suất (ηe) và suất tiêu hao nhiên liệu (ge) của động cơ.
Dựa trên kết quả của các quá trình tính toán, chúng ta xây dựng giản đồ công chỉ thị của động cơ, từ đó cung cấp các số liệu cơ bản cho việc tính toán động lực học, thiết kế sơ bộ và thiết kế kỹ thuật toàn bộ động cơ.
Trong kiểm nghiệm động cơ, việc tính toán nhiệt có thể được thay thế bằng việc đo đồ thị công thực tế trên động cơ đang hoạt động thông qua các thiết bị đo hiện đại Bên cạnh đó, phương pháp tính toán dựa trên lý thuyết nhiệt động hóa học trong động cơ đốt trong cho phép khảo sát các chỉ tiêu động lực và kinh tế của những động cơ có sẵn, mang lại kết quả đáng tin cậy.
Toàn bộ quá trình tính toán nhiệt tuân theo tài liệu [1] Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 8
Số liệu ban đầu
Số liệu cần thiết cho quá trình tính toán thiết kế nhiệt được cho ở bảng dưới đây:
SỐ LIỆU BAN ĐẦU CỦA ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
TT Tên thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Ghi chú
1 Kiểu động cơ 3D6 Thẳng hàng Đ/cơ Diesel không tăng áp
7 Góc mở sớm xupáp nạp 1 20 độ
8 Góc đóng muộn xupáp nạp 2 48 độ
9 Góc mở sớm xupáp xả 1 48 độ
10 Góc đóng muộn xupáp xả 2 20 độ
12 Chiều dài thanh truyền ltt 320 mm
13 Công suất định mức Ne 140 mã lực
14 Số vòng quay định mức n 1400 v/ph
15 Suất tiêu hao nhiên liệu ge 195 g/ml.h
17 Khối lượng thanh truyền mtt 5,62 kg
18 Khối lượng nhóm piston mpt 2,37 kg
Bảng 1: Số liệu tính toán thiết kế động cơ 3D6 Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 9
Các thông số cần chọn
Các thông số cần chọn theo điều kiện môi trường, đặc điểm kết cấu của động cơ, chủng loại động cơ… bao gồm:
3.1 Áp suất môi trường: pk Áp suất môi trường là áp suất khí quyển trước khi nạp vào động cơ Ở nước ta có thể chọn: pk = 0,1 (MPa)
3.2 Nhiệt độ khí nạp mới
Lựa chọn nhiệt độ môi trường theo nhiệt độ bình quân cả năm Ở nước ta chọn:
3.3 Áp suất cuối quá trình nạp: pa Áp suất pa phụ thuộc vào rất nhiều thông số như chủng loại động cơ, tính năng tốc độ n, hệ số cản trên đường nạp, tiết diện lưu thông v.v… Vì vậy cần xét động cơ đang tính thuộc nhóm nào để lựa chọn pa Với động cơ diesel không tăng áp 4 kỳ, áp suất cuối quá trình nạp thường nhỏ hơn áp suất khí quyển, do có tổn thất trên ống nạp và bầu lọc gây nên, pa biến thiên trong phạm vi sau: pa = (0,8 ÷ 0,9)pk ; Ta chọn pa = 0,85.pk = 0,085 (MPa)
3.4 Áp suất khí thải: pr Áp suất này cũng phụ thuộc các thông số như pa Có thể chọn pr nằm trong phạm vi: pr = (1,05 ÷1,10)pk ; chọn pr = 1,07 pk = 0,107 (MPa)
3.5 Mức độ sấy nóng môi chất: T
Chủ yếu phụ thuộc vào quá trình hình thành khí hỗn hợp ở bên ngoài hay bên trong xilanh Đối với động cơ diesel T = 20° ÷ 40°C ; chọn T 0°C
3.6 Nhiệt độ khí sót (khí thải): T r
Phụ thuộc vào chủng loại động cơ Nếu quá trình giãn nở càng triệt để, nhiệt độ Tr càng thấp Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 10
Tr = 700 1000 K ; Động cơ Diesel Tr = 700 K
3.7 Hệ số hiệu đính tỉ nhiệt: t
Tỷ nhiệt của môi chất thay đổi phức tạp, do đó cần dựa vào hệ số dư lượng không khí để hiệu chỉnh Trong đồ án này, động cơ diesel được chọn có > 1,4, cho phép lựa chọn = t 1,10.
3.8 Hệ số quét buồng cháy: 2 Động cơ không tăng áp = 2 1
Phụ thuộc chủ yếu vào pha phân phối khí Thông thường có thể chọn:
3.10 Hệ số lợi dung nhiệt tại điểm z:
Thể hiện lượng nhiệt phát ra của nhiên liệu đã cháy ở điểm z so với lượng nhiệt ra khi đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu
Do đó z phụ thuộc vào chu trình công tác của động cơ Đối với động cơ diesel = z 0, 70 0,85 ; chọn = z 0,80
3.11 Hệ số lợi dung nhiệt tại điểm b:
b bao giờ cũng lớn hơn z Thông thường: Đối với động cơ diesel = b 0,80 0,90 ; chọn = b 0,85
3.12 Hệ số hiệu đính đồ thị công: d
Sự sai lệch giữa chu trình công tác lý thuyết và thực tế của động cơ cho thấy động cơ diesel có hệ số d nhỏ hơn động cơ xăng Điều này cho thấy rằng chu trình công tác thực tế của động cơ diesel gần hơn với chu trình tính toán, trong khi động cơ xăng có sự khác biệt lớn hơn.
3.13 Chọn tỷ số tăng áp: Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 11
Là tỷ số giữa áp suất hỗn hợp khí trong xilanh ở cuối quá trình cháy và quá trình nén: z c p
= p Trong đó: pz – áp suất cuối quá trình cháy pc – áp suất cuối quá trình nén Động cơ diesel 1, 2 2, 4 ; chọn = 1,8
Tính toán các quá trình công tác
4.1 Tính toán quá trình nạp:
Trong đó m – chỉ số giãn nở đa biến trung bình của khí sót, chọn m = 1,47
Nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta m 1 m a k t r r r a r
Thỏa mãn do với động cơ diesel không tăng áp T a 320 400 K
Hệ số nạp: Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 12
Lượng không khí lí thuyết cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu: o
= + − =0, 4946 Trong đó: C = 0,87; H = 0,126; O = 0,004 (nhiên liệu động cơ diesel)
Hệ số dư lượng không khí : Động cơ diesel 1
= 4.2 Tính toán quá trình nén:
Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của không khí: mcv ,806 0, 00209.T+ (kJ/kmol.độ)
Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy:
Hệ số dư lượng không khí 1, tính theo công thức: Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 13
Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp trong qua trình nén , tính theo công thức sau: v r v v v v r mc mc b mc a T
Từ đó ta xác định được a ' và v b v : a ' = 19,844 ; v b v = 0,00422
Chỉ số nén đa biến trung bình n1:
Chỉ số đa biến n1 phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kích thước xilanh, loại buồng cháy, số vòng quay, phụ tải và trạng thái nhiệt của động cơ Khi có các nhân tố làm cho môi chất mất nhiệt, chỉ số n1 sẽ tăng Để xác định n1, cần giải phương trình liên quan.
Để xác định giá trị n1 trong khoảng (1,34; 1,39), ta thử thay các giá trị này vào phương trình cho đến khi giá trị của VT và VP gần bằng nhau Giá trị n1 được coi là thỏa mãn khi độ sai lệch giữa hai giá trị ở hai vế phải nhỏ hơn 0,2%, cụ thể là 0,03% < 0,2%.
Sau quá trình thử nghiệm, chúng tôi xác định được n1 = 1,3693 Áp suất và nhiệt độ cuối quá trình nén được tính toán theo công thức: p = n1 * ε = 1,3693 * 0,085 * 14,5 = 3,3089 MPa Nhiệt độ cuối cùng của quá trình nén cũng được xác định dựa trên giá trị n1.
T =T − 42,87.14,5 − 0,50 (K) Lượng môi chất công tác của quá trình nén:
4.3 Tính toán quá trình cháy:
Hệ số thay đổi phân tử lí thuyết o :
= = = + Độ tăng Mcủa các loại động cơ xác định theo công thức sau: o nl
Tóm lại động cơ diesel o o
= + + Hệ số thay đổi phân tử thực tế : o r r
Hệ số thay đổi phân tử thực tế tại điểm z:
= + = + + + Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 15
Với z là phần nhiên liệu đã cháy tại điểm z : z z b ξ 0,8 ξ 0,85
M =M + = M M =1, 0338.0,9358=0,9674 Nhiệt độ tại điểm z: Tz
Tính Tz bằng cách giải phương trình cháy của động cơ Động cơ diesel, tính nhiệt độ Tz bằng cách giải phương trình cháy sau:
QH – Nhiệt độ của dầu diesel QH = 42.500 (KJ/kgml) mcpz - Tỷ nhiệt mol đẳng áp trung bình tại điểm z của sản vật cháy pz vz mc =8,314 mc+ = 28,99404+0,00259.T (1)
Xác định tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của môi chất tại điêm z:
Thay các giá trị đã tính được vào phương trình (*) ta được phương trình sau:
Ta biến đổi được một phương trình bậc 2 với ẩn là Tz: Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 16
Giải phương trình trên và chọn nghiệm dương là giá trí Tz = 1956,5 K Áp suất tại điểm z: z p c p = p =1,8.3,3089=5,956
4.4 Tính quá trình giãn nở:
Hệ số giãn nở sớm : z z c
= = Động cơ diesel thỏa mãn điều kiên - (1,217 < 1,8)
Hệ số giãn nở sau:
= = Chỉ số giãn nở đa biến trung bình n2:
Thay các đại lượng đã biết ta được phương trình tương đương sau:
Trong đó: Động cơ diesel
QH - Nhiệt trị tính toán Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 17 Động cơ diesel Q * H = QH
Nhiên liệu động cơ diesel có nhiệt trị QH = 42.500 KJ/kg nl (2)
Để giải hệ phương trình (*), ta thử thay dần các giá trị n2 thuộc khoảng [1,25; 1,29] vào phương trình và tìm giá trị n2 sao cho sai số giữa hai vế trái phải của (*) nhỏ hơn 0,2% Qua quá trình thử nghiệm, chúng ta xác định được giá trị n2 = 1,272 với sai số 0,11%, đáp ứng yêu cầu đề ra.
Vậy n2 = 1,272 Áp suất của quá trình giãn nở n 2 z
Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở
11,915 Kiểm tra nhiệt độ khí sót
Ta có nhiệt độ của khí thải được tính theo công thức sau: m 1 r m rt b b
4.5 Tính toán các thông số chu trình công tác Áp suất chỉ thị trung bình p’i Đối với động cơ diesel :
Kết quả tính toán cho thấy áp suất chỉ thị p’i đạt 0,6471 MPa Áp suất chỉ thị trung bình thực tế được xác định là pi = φ d p’i = 0,95 × 0,7 = 0,6147 MPa Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị cũng được đề cập trong nghiên cứu.
Áp suất tổn thất cơ giới (pm) được xác định theo mối quan hệ tuyến tính với tốc độ trung bình của piston Tốc độ trung bình của piston được tính bằng công thức: vtb = S.n * 0,180 * 1400.
Đối với động cơ diesel có tỉ số nén = 4, i = 6 và đường kính D = 150 mm, chúng ta áp dụng công thức để tính toán áp suất trung bình động cơ Kết quả tính toán cho áp suất trung bình p trung bình là 0,1460 MPa Từ đó, áp suất có ích trung bình pe được xác định bằng cách trừ áp suất trung bình p trung bình khỏi áp suất nén pi, cho giá trị pe = 0,6147 - 0,1460 = 0,4687 MPa.
So sánh ta thấy pe ở đây gần bằng pe ở quá trình nạp (pe nạp = 0,4688 (MPa)
= = Suất tiêu hao nhiên liệu ge: Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 19 i e m g 199,5 g 261,64
= = Kiểm nghiệm đường kính xy lanh D theo công thức: h kn
Lại có đường kính xilanh đề bài cho là D = 150 (mm)
Sai số đường kính là: =D D kn −D =0, 02 < 0,1 (mm)
Sai số đường kính không vượt quá 0,1 mm nên thỏa mãn điều kiện.
Vẽ và hiệu đính đồ thị công
Dựa trên các số liệu đã tính toán như pa, pc, pz, pb, n1, n2, và ε, chúng ta tiến hành lập bảng tính cho đường nén và đường giản nở, theo sự biến thiên của dung tích công tác Vx = i.Vc, trong đó Vc là dung tích buồng cháy.
- Áp suất quá trình nạp: p a = 0,085 MPa
-Áp suất quá trính thải: p r = 0,107 MPa
-Áp suất tại điểm z: p z = 5,956 MPa
-Áp suất tại điểm b: p b = 0,2548 MPa
- Áp suất tại điểm c: p c = 3,3089 MPa
- Chỉ số nén đa biến n 1: n 1 = 1,3693
- Chỉ số giãn nở đa biến n 2 = 1,272
- Tỷ số nén ε = 14,5 Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 20
5.2 Xác định quá trình nén a-c và quá trình giãn nở z-b:
Ta có bảng tính các giá trị của quá trình nén và quá trình giản nở như sau: (Xuất phát từ p.V n =constp V x x n 1 =p V c c n 1 với Vx = i.Vc thay vào rút ra)
Ta có pV n1 = const pxVx n1 = pcVc n1 Đặt Vx = iVc, trong đó i = 1
Quá trình giãn nở: px 2 2
Bảng tính toán quá trình nén và giãn nở:
Bảng 2: Số liệu tính toán quá trình nén và giãn nở
5.3 Vẽ đồ thị công Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 21
Sau khi tính toán quá trình nở và giãn nở, chúng ta cần chọn tỷ lệ xích phù hợp để vẽ đồ thị công Để có một bản trình bày đẹp, chiều dài hoành độ thường được chọn tương ứng từ εVc là 220 mm trên giấy kẻ ô.
Tung độ thường chọn tương ứng với pz khoảng 250 mm trên giấy kẻ ly
Để tạo đồ thị dễ dàng và trực quan, cần vẽ đường biểu diễn áp suất pk song song với trục hoành trên giấy kẻ ly, sử dụng đường đậm Đường 1Vc cũng cần được đặt trên đường đậm của trục tung Sau khi hoàn thành đường nén và đường giản nở, tiếp tục vẽ đường nạp và đường thải lý thuyết bằng hai đường thẳng song song với trục hoành, đi qua hai điểm pa và pr Cuối cùng, cần hiệu đính đồ thị công để có được đồ thị công chỉ thị chính xác, với các bước hiệu đính được thực hiện theo quy trình đã định.
Vẽ đồ thị Brick đặt phía trên đồ thị công:
Ta chọn tỉ lệ xích của hành trình piston S là: s s s gtt S 180
Vì gtbd Vmax = 220 ; gtbd Vmin = 15,2
Thông số kết cấu động cơ là: tt tt l
Vậy giá trị biểu diễn của R là: R 90 l 102, 4
Khoảng cách OO’ là: OO' R 0,28125.90 12,66
Giá trị biểu diễn đoạn OO’ trên đường tròn Brick tính được theo công thức: Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 22
(mm) Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 23
5.4 Hiệu đính đồ thị công
Theo số liệu đầu bài ta biết các thông số góc phun sớm và các góc mở, đóng của xupap được cho ở Bảng 3
Góc mở 1 Góc đóng 2 Góc mở 1 Góc đóng 2 Động cơ ô tô 30 20 48 48 20
Bảng 3: Thông số góc phun nhiên liệu sớm và góc phối khí
Hiệu đính điểm ban đầu quá trình nạp (điểm a)
Từ điểm O’ trên đồ thị Brick, góc đóng muộn β2 của xupap thải được xác định là 20°, bán kính này cắt vòng Brick tại a’ Từ a’, ta vẽ một đường song song với tung độ cắt pa tại điểm a Tùy thuộc vào loại động cơ, nếu động cơ có tăng áp, quá trình nạp bắt đầu ngay khi xupap nạp mở sớm do áp suất tăng áp lớn Ngược lại, nếu động cơ không có tăng áp, áp suất nhỏ hơn áp suất môi trường, dẫn đến việc khí nạp không thể vào do áp suất khí thải cao hơn.
Nối điêm r trên đường thải với a Ta có đường chuyển tiếp từ quá trình thải sang quá trình nạp
Áp suất cuối quá trình nén thực tế thường lớn hơn áp suất lý thuyết do hiện tượng phun sớm Để xác định áp suất cuối thực tế (pc’), có thể sử dụng công thức dựa trên kinh nghiệm.
Giá trị biểu diễn c’ trên đồ thị là: 175,93 mm Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 24
Hiệu đính điểm phun sớm (c”)
Do hiện tượng phun sớm, đường nén thực tế tách biệt với đường nén lý thuyết tại điểm c” Điểm c” được xác định bằng cách lấy điểm O’ trên đồ thị Brick, từ đó xác định góc phun sớm φi = 30° Bán kính này cắt vòng tròn Brick tại một điểm, và từ đó, kéo một đường song song với trục tung để cắt đường nén tại điểm c” Kết nối điểm c” với điểm c’ tạo thành đường nén thực tế.
Trong quá trình cháy giãn nỡ, áp suất pzmax thực tế không đạt giá trị lý thuyết như trong động cơ xăng Để xác định điểm pzmax, từ điểm O’ trên đồ thị Brick, ta vẽ một góc 15° trước điểm chết theo hướng quay của trục khuỷu, cắt đường tròn tại một điểm Từ vị trí này, vẽ một đường thẳng song song với trục tung cho đến khi cắt đường pz tại điểm z”.
Hiệu đính điểm bắt đầu quá trình thải thực tế (điểm b)
Hiện tượng mở sớm xupáp thải khiến quá trình thải diễn ra sớm hơn lý thuyết Để xác định điểm b', ta lấy điểm O' trên đồ thị Brick, từ đó xác định góc mở sớm xupáp thải β1 = 48°, và bán kính này sẽ cắt đường tròn Brick tại một điểm.
Từ điểm này, chúng ta vẽ một đường song song với trục tung cắt đường giãn nở tại điểm b’ Điểm kết thúc quá trình giãn nở được hiệu đính tại điểm b” Áp suất cuối của quá trình giãn nở thực tế, pb”, thường thấp hơn áp suất lý thuyết do xupap thải mở sớm Theo công thức kinh nghiệm, chúng ta có thể xác định được điều này.
Vậy giá trị biểu diễn của điểm b” là 7,59 mm
Như vậy ta đã có đồ thị công chỉ thị dùng cho phần tính toán động lực học Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 25
Hình 1: Đồ thị công P-V Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 26
Tính toán động học, động lực học
Vẽ đường biểu diễn các quy luật động học
Các đường biểu diễn được vẽ trên cùng một hoành độ tương ứng với hành trình piston S = 2R Do đó, đồ thị sẽ sử dụng hoành độ tương ứng với Vh của đồ thị công, từ điểm 1Vc đến điểm εVc.
1.1 Đường biểu diễn hành trình piston x=f(α)
- Chọn tỉ lệ xớch à s = 0,60 mm/độ
- Chọn gốc tọa độ cách gốc của đồ thị công khoảng 15cm
- Từ tâm O’ của đồ thị Brick kẻ các bán kính ứng với 10 0 , 20 0 , 180 0
Khi hạ các điểm đã chia trên cung Brick xuống các điểm 10°, 20°, …, 180° tương ứng trên trục tung của đồ thị x = f(α), ta xác định được các điểm chuyển vị x tương ứng với các góc 10°, 20°, …, 180°.
- Nối các điểm xác định chuyển vị x ta được đồ thị biểu diễn quan hệ x = f(α)
1.2 Đường biểu diễn tốc độ piston v=f(α)
- Vẽ nửa vòng tròn tâm O bán kính R, phía dưới đồ thị x = f(a)
- Vẽ vòng tròn tâm O bán kính là R/2
- Chia nửa đường tròn tâm O bán kính R và đường tròn tâm O bán kính là
R/2 thành 18 phần theo chiều ngược nhau
Từ các điểm chia trên nửa đường tròn có tâm O và bán kính R, ta kẻ các đường song song với trục tung Những đường này sẽ giao cắt với các đường song song với trục hoành, xuất phát từ các điểm chia tương ứng trên đường tròn có bán kính là λ.R/2, tại các điểm a, b, c
Nối các điểm a, b, c để tạo thành đường cong giới hạn trị số tốc độ piston, thể hiện qua các đoạn thẳng song song với trục tung Các đoạn thẳng này được xác định từ các điểm cắt của đường tròn bán kính R với trục hoành tại góc α đến đường cong a, b, c trong đồ án chuyên ngành ô tô.
1.3 Đường biểu diễn gia tốc của piston j=f(x)
Vẽ đường này theo phương pháp Tô-Lê Chọn cùng hoành độ với đồ thị v = f(α), vẽ theo các bước sau:
- Chọn tỉ lệ xích j = 50 m.s 2 /mm
- Ta tính được các giá trị:
Theo tính toán ở trên thì λ = 0,28125 > 1/4
=> Có 3 giá trị cực trị của gia tốc là:
2 jmax = R .(1+ ) Thay giá trị vào ta được:
=> giá trị biểu diễn j max là:
=> giá trị biểu diễn j min là:
+ Ta tính được giá trị đoạn EF: EF = − 3.R 2
Thay giá trị vào ta được:
=> giá trị biểu diễn EF là: -32,64 mm Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 28
Từ điểm A, lấy AC = j max và từ điểm B, lấy BD = j min Kết nối CD cắt trục hoành tại điểm E, sau đó lấy EF = −3.R . 2 hướng về phía BD Tiếp theo, nối CF và FD, chia các đoạn này thành 3 phần và kết nối các điểm 11, 22, 33, 44, 55.
Vẽ đường bao trong tiếp tuyến với 11, 22, 33, 44, 55 Ta được đường cong biểu diễn quan hệ j = f(x).
Tính toán động học, động lực học
2.1 Các khối lượng chuyển động tịnh tiến np 1 m=m +m 4,12 99+ #3,12 (kg/m 2 )
Trong bài viết này, mnp được định nghĩa là khối lượng pit-tông tính trên đơn vị diện tích pit-tông (kg/m²), trong khi m1 là khối lượng thanh truyền phân bố về tâm chốt pit-tông, cũng tính trên đơn vị diện tích pit-tông (kg/m²).
Khối lượng của nhóm pit-tông có thể được tra cứu trong sổ tay hoặc tính toán từ các chi tiết cụ thể để lấy số liệu chính xác Ngoài ra, có thể ước lượng khối lượng thông qua bản vẽ, với thông số pt 3 m 2,37 134,12.
Khối lượng của thaanh truyền phân bố về tâm chốt pit-tông có thể tính theo công thức kinh nghiệm sau:
Thanh truyền động cơ tàu thủy (3D6):
Trong đó: mtt là khối lượng thanh truyền tính trên đơn vị diện tích pit-tông (kg/m 2 )
Ta chọn m 1 (kg/m 2 ) Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 29
2.2 Các khối lượng chuyển động quay k 2 ch 0m m =m +m +m (kg/m 2 ) Trong đó:
Khối lượng của thanh truyền tính theo đơn vị diện tích piston được xác định bằng công thức 2tt1m = (m - m) - khối lượng của thanh truyền quy dẫn về tâm chốt khuỷu (kg/m²) Trong đó, mch là khối lượng của chốt khuỷu tính trên đơn vị diện tích piston (kg/m²) và m0m là khối lượng của má khuỷu quy dẫn về tâm chốt (kg/m²) Khối lượng quay được tính gần đúng theo phương trình quy dẫn: m0m m m.
Trong đó: mm – khối lượng của má khuỷu (kg)
- bán kính trọng tâm của má khuỷu (m)
R – bán kính quay của khuỷu (m)
Lực quán tính của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền gồm lực quán tính chuyển động tịnh tiến và lực quán tính chuyển động quay
Lực quán tính chuyển động tịnh tiến:
2 pj = −m.j= −m.R. (cos + .cos 2 ) Với λ = 0,28125, ta có bảng tính p j theo α α Pj gtbd
60 -0,16207 -6,80 Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 30
Bảng 4: Giá trị lực quán tính p j theo α
2.4 Vẽ đường biểu diễn lực quán tính -p j = f(x):
Ta vẽ đường biểu diễn lực quán tính theo phương pháp Tô-lê như sau: Bước 1: Chọn tỉ lệ xích để vẽ đường pj là: p 0, 023824
= = mm/mmbd Bước 2: Tính các giá trị:
Lực quán tính cực đại:
Giá trị biểu diễn p jmax trên đồ thị là: jmax p p 0,57781 gtbd 24, 25
Lực quán tính cực tiểu:
2 jmin (1 0, 28125).10 p =m.R. (1− =) 233,12.0,09.146,61 − − 0,32414= (MPa) Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 31
Giá trị biểu diễn p jmin trên đồ thị là: jmin p p 0,32414 gtbd 13,61
EF 3 .m.R.= 2 =3.0, 28125.233,12.0, 09.146, 61 10 2 − 6 =0,38051 (MPa) Giá trị biểu diễn EF trên đồ thị là: p
Ta tiến hành vẽ đường biểu diễn quan hệ v=f(x) dựa trên hai đồ thị là đồ thị x f(α) và đồ thị v = f(α) Ta tiến hành theo trình tự sau:
Từ tâm các điểm đã chia độ trên cung của đồ thị Brick ta gióng các đường song song với trục tung tương ứng với các góc quay α = 100, 200, 1800
Ta trích xuất giá trị vận tốc v từ đồ thị v = f(α) tại các điểm 1, 2, 18 trên vòng tròn bán kính R Sau đó, chúng ta đặt các giá trị này lên các đường song song với trục tung tương ứng, từ đó tạo ra các điểm trên đồ thị.
Nối các điểm nằm trên đồ thị ta được đường biểu diễn quan hệ v = f(x) Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 32
Hình 2: Đồ thị động học Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 33
2.6 Khai triển đồ thị công P-V thành P=f(α):
Ta đã tiến hành chuyển đổi đồ thị công p-V thành đồ thị pkt=f(α) nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc tính toán sau này Quy trình khai triển đồ thị công được thực hiện theo một trình tự cụ thể.
Chọn tỉ lệ xích α = 2°/1mm Như vậy toàn bộ chu trình 720° sẽ tương ứng với
Chọn tỉ lệ xích p = 0,023824 MPa/mm
Từ các điểm chia trên đồ thị Brick ta xác định trị số của pkt tương ứng với các góc α rồi đặt các giá trị này trên toạ độ p-α
Nối các điểm xác định được theo một đường cong trơn ta thu được đồ thị biểu diễn quan hệ pkt=f(α)
2.7 Khai triển đồ thị p j = f(x) thành p j = f(α)
Ta tiến hành khai triển đồ thị pj = f(x) thành pj = f(α), tương tự như cách khai triển đồ thị công Tuy nhiên, cần lưu ý rằng trong đồ thị trước, ta biểu diễn đồ thị -pj f(x).
Ta tiến hành vẽ đồ thị p = f(α) bằng cách ta cộng hai đồ thị là đồ thị pj = f(α) và đồ thị pkt = f(α) Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 34
Hình 3: Đồ thị công khai triển
2.9 Vẽ lực tiếp tuyến T= f(α) và đồ thị lực pháp tuyến Z = f(α)
Ta có công thức xác định lực tiếp tuyến và lực pháp tuyến như sau: sin( )
Trong đó góc lắc của thanh truyền β được xác định theo góc quay α của trục theo biểu thức sau: sin = sin
Chúng tôi đã chọn tỷ lệ xích = 2 /1mm 0 và p = 0,023824 (MPa/mm) Dựa vào bảng số liệu, chúng tôi vẽ được đồ thị lực tiếp tuyến T = f ( ) cùng với đồ thị lực pháp tuyến.
Dựa vào các công thức và đồ thị pΣ = f(α), chúng ta có thể xác định giá trị trong bảng dưới đây theo góc quay α của trục khuỷu Các giá trị này bao gồm α(°), Gtbd pΣ sin(α+ò)/cosò, Gtbd T cos(α+ò)/cosò và Gtbd Z.
430 25,9 1,033417 26,77 0,084514172 2,19 Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 36
Bảng 5: Các giá trị vẽ T, Z 2.10 Vẽ đường T = f(α)
Ta có chu kỳ của momen tổng phụ thuộc vào số xylanh và số kỳ, chu kỳ này bằng đúng góc công tác của các khuỷu:
Trong đó ta có: là số kỳ của động cơ = 4 i là số xylanh của động cơ i = 6
Ta tiến hành vẽ đường biểu diễn T = f(α) cũng chính là ta vẽ đường biểu diễn Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 37
M= f(α) (do ta đã biết M = T.R).Các bước tiến hành như sau:
Bảng xác định các góc αi tương ứng với các khuỷu trong động cơ diesel 4 kỳ, 6 xylanh có thứ tự làm việc 1-5-3-6-2-4.
Bảng 6: Số liệu tính tổng T theo góc quay trục khuỷu
Từ bảng số liệu, chúng ta có thể vẽ đồ thị T = f(α) và đường Ttb, đại diện cho momen cản Để tính toán, chúng ta đếm diện tích giữa đường T và trục hoành α (F T), sau đó chia diện tích này cho chiều dài của trục hoành Sử dụng phần mềm AutoCad, chúng ta có thể thực hiện các phép tính cần thiết.
Trong đó: t - Tỷ lệ xích của lực tiếp tuyến
Tiếp đến ta tính ΣTtinh theo công suất động cơ: Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 38
So sánh 2 giá trị ΣTtb và ΣTtính ta thấy sai số 11,3% > 5% Không đạt yêu cầu bài toán
Hình 4: Đồ thị biểu diễn lực tiếp tuyến và pháp tuyến
2.11 Vẽ đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu
Ta tiến hành vẽ đồ thị phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu theo các bước:
Để vẽ hệ trục tọa độ T-Z, dựa vào bảng tính T=f(α) và Z=f(α), ta xác định các điểm tọa độ như sau: điểm 0 có tọa độ (T0, Z0), điểm 1 có tọa độ (T10, Z10), và tiếp tục cho đến điểm 72 với tọa độ (T720, Z720) Đồ thị ptt được biểu diễn trên tọa độ T-Z cho thấy rằng từ gốc tọa độ, tại bất kỳ điểm nào cũng có mối quan hệ ptt = +T Z Để tìm gốc tọa độ của phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu, ta đặt vectơ pko (đại diện cho lực quán tính ly tâm) lên đồ thị Công thức xác định lực quán tính ly tâm tác dụng lên chốt khuỷu cũng được trình bày trong đồ án chuyên ngành ô tô.
(2.13) Trong đó, m2 là khối lượng thanh truyền quy dẫn về tâm chốt khuỷu trên đơn vị diện tích đỉnh piston:
Thay số vào ta xác định được: pko = 220.0,090.146,61 2 = 0,4256 Mpa
=> Giá trị biểu diễn của pko là 17,86 mm
Vậy ta xác định được gốc 0 của đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu Nối 0 với bất cứ điểm nào trên đồ thị ta đều có: k 0 tt
Trị số Q được xác định bằng độ dài OA, với chiều tác dụng hướng theo OA Điểm tác dụng là điểm a, nằm trên phương kéo dài của AO, cắt vòng tròn biểu thị cho mặt chốt khuỷu.
Hình 5: Đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu
Ta tiến hành vẽ đường biểu diễn Q = f(α) theo trình tự các bước sau :
Từ đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu, chúng ta có thể xây dựng bảng giá trị của Q theo góc quay α của trục khuỷu.
Bảng 7: Giá trị Q theo góc quay trục khuỷu
Từ bảng trên ta vẽ được đường biểu diễn Q = f(α), và dựa vào đồ thị ta xác định được giá trị:
=> Giá trị biểu diễn đoạn Qtb trên đồ thị là:
Vậy ta có hệ số va đập : max tb
= >4 Cần xem xét lại vật liệu để có thể bảo đảm an toàn Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 42
Hình 6: Đường biểu diễn Q theo góc quay trục khuỷu
2.13 Đồ thị mài mòn chốt khuỷu Đồ thị mài mòn chốt khuỷu biểu diễn trạng thái mài mòn lý thuyết của chốt khuỷu từ đó có thể xác định miền phụ tải bé nhất để khoan lỗ dầu bôi trơn chốt khuỷu
Ta gọi là đồ thị mài mòn lý thuyết vì khi vẽ ta đã dùng các giả thiết sau:
- Phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu là phụ tải ổn định ứng với công suất Ne và tốc độ n định mức
- Lực tác dụng có ảnh hưởng đều trong miền 120
- Độ mòn tỉ lệ thuận với phụ tải
Không xem xét các yếu tố công nghệ và quy trình lắp ghép, như vật liệu, độ cứng bề mặt, độ bóng, độ chặt lỏng và dầu mỡ bôi trơn.
Tính nghiệm bền nhóm piston
Thông số đầu vào
1.1 Thông số kỹ thuật piston
Hình 8: Kí hiệu thông số kích thước piston
TT Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Ghi chú
1 Vật liệu chế tạo piston Nhôm hợp kim
2 Chiều dày đỉnh piston 17 mm
3 Đường kính đỉnh piston D 150 mm
4 Diện tích tiết diện suy yếu (nếu dùng rãnh phay để thoát dầu) FI-I mm 2 Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 46
Số lỗ thoát dầu Đường kính lỗ thoát dầu (nếu dùng lỗ trụ để thoát dầu)
6 Kích thước của buồng cháy Đo đạc trên b/vẽ
7 Chiều dài thân piston hp 73 mm
8 Đường kính ngoài chốt piston dcp 42 mm
9 Chiều dài phần bệ tiếp xúc với chốt l1 30 mm
10 Đường kính trong của chốt d0 15 mm
11 Chiều dài chốt piston lcp 114 mm
12 Chiều dày phần đầu piston s (hl) 12 mm =0,08D
1 Chiều dày xéc-măng t 5,4 mm
2 Chiều cao xéc-măng h 2,8 mm
3 Khe hở miệng ở trạng thái tự do A 16 mm
4 Khe hở miệng ở trạng thái lắp ghép f 0,7 mm
Bảng 9: Thông số kích thước piston, chốt piston và xéc-măng
1.2 Thông số động cơ Động cơ diesel, 4 kỳ; 6 xylanh; công suất động cơ Neđm = 140 mã lực; số vòng quay n = 1400 v/p; hành trình piston S = 180 mm; dường kính xylanh D = 150 mm; áp suất cực đại pz = 5,956 MN/m 2 ; lực ngang Nmax ở 375° góc quay trục khuỷu; áp suất tổng tại 375° p∑ = 5,856 MN/m 2
Tính nghiệm bền piston
2.1 Tính nghiệm bền đỉnh piston Đỉnh piston chịu lực rất phức tạp, trạng thái ứng suất cũng rất phức tạp, - nó vừa chịu tải trọng cơ học vừa chịu tải trọng nhiệt Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 47
Việc tính toán đỉnh pit-tông gặp khó khăn do phải chịu tải trọng phức tạp, do đó các phương pháp tính toán thường chỉ mang tính gần đúng và dựa trên những giả thuyết nhất định.
Sử dụng công thức Orơlin:
Piston của động cơ đang xét có kích thước nhỏ hơn 0,2D (17 < 0,2.1500) và được thiết kế với đỉnh piston của động cơ diesel có buồng cháy thống nhất Do đó, công thức Orơlin được sử dụng để kiểm tra độ bền của đỉnh piston Chúng ta giả định rằng đỉnh piston có hình dạng như một đĩa tròn, được gắn cố định trong gối tựa hình trụ.
Hình 9: Đỉnh piston bị ngàm cứng trong gối tựa Ứng suất hướng kính tính theo công thức sau :
Ứng suất hướng tiếp tuyến :
Trong đó: - hệ số ngàm 1
- hệ số poát xông , đối với piston hợp kim nhôm = 0,26 r - khoảng cách từ tâm đỉnh piston đến mép ngàm cố định của đỉnh D- Đường kính đỉnh piston D = 150 mm
- Chiều dày phần đầu piston Thay các giá trị vào ta có:
= D − = − = r mm Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 48 Ứng suất hướng kính là:
MN/m 2 Ứng suất hướng tiếp tuyến là:
=> Đảm bảo điều kiện ứng suất uốn của đỉnh piston
2.2 Tính nghiệm bền đầu piston Để nghiệm bền phần đầu piston, cần xác định tiết diện suy yếu ngang vùng rãnh xéc-măng dầu: (FI-I)
Tiết diện suy yếu vùng rãnh xéc-măng dầu được tính bằng diện tích vành chứa xéc-măng dầu trừ đi tiết diện giảm do các lỗ dầu Công thức tính tiết diện này là dl.hl.n, trong đó dl là đường kính, hl là chiều dày, và n là số lỗ dầu Đường kính phần rỗng đầu piston được xác định là D2 = D1 – 2s = 150 – 2.12 = 126 mm.
= − − (mm 2 ) = 4434,48.10 -6 (m 2 ) Ứng suất kéo jmax I I max k
Trong đó : mI-I là khối lượng phần đầu piston trên tiết diện suy yếu I-I
FI-I là diện tích phần tiết diện suy yếu jmax là gia tốc lớn nhất của piston Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 49
Theo kinh nghiệm ta có m I-I là:
F I-I đã xác định ở trên j max = R.ω 2 (1+λ) = 0,09.146,61 2 (1+0,28125).10 -6 = 0,0024786
Vậy ta xác định được ứng suất kéo: k 6
Kết luận đàu piston đảm bảo điều kiện ứng suất kéo Úng suất nén
= = MN/m 2 Ứng suất nén cho phép [σn] = 25 MN/m 2 đối với piston hợp kim nhôm
=> σn < [σn] => Đảm bảo điều kiện ứng suất nén phần đầu piston
2.3 Tính nghiệm bền thân piston Áp suất tiếp xúc trên thân max th th k N
= l D MN/m 2 Trong đó: lth - Chiều dài phần thân piston
Nmax - Lực ngang lớn nhất, có thể lập đồ thị N = f() để xác định Nmax hoặc lấy theo số liệu kinh nghiệm:
Nmax= (0,005 0,006)p20 p20 - Hợp lực của lực khí thể và lực quán tính ở 20° sau ĐCT của quá trình cháy và giãn nở: p20 = 0,5394
Vậy Nmax= 0,0055.p20 = 0,00297 MN Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 50
Áp suất tiếp xúc cho phép động cơ tàu thủy và tĩnh tại: [k ] th =(0,15 0,35) MN/m2
=> Đảm bảo điều kiện áp suất tiếp xúc trên thân
Áp suất tiếp xúc trên bề mặt chốt z b cp 1 k P 2.d l
Trong đó: dch – Đường kính chốt piston lb – Chiều dài tiếp xúc của bệ chốt
Thay số vào ta được: 0,1053 3 3 41, 786
Với chốt lắp tự do, piston bằng nhôm hợp kim: [ ] k b = 20 30 MN/m2
=> Không đảm bảo điều kiện áp suất tiếp xúc trên bề mặt chốt
Để nâng cao ứng suất cho phép, cần tăng đường kính chốt piston và chiều dài tiếp xúc trên bệ chốt Đồng thời, xem xét gia công để thay đổi đặc tính vật liệu piston tại vị trí tiếp xúc với chốt piston.
Tính nghiệm bền chốt piston
Chốt piston làm việc trong trạng thái chịu uốn, chịu cắt, chịu va đập và biến dạng
*) Các thông số kích thước:
- Chiều dài chốt piston, lcp = 114 (mm);
- Đường kính chốt piston, dcp = 42 (mm);
- Đường kính trong chốt piston, d0 = 15 (mm);
- Chiều dài lắp với đầu nhỏ thanh truyền, lđ = 52 (mm);
- Chiều dài lắp với bệ chốt (một bên), l1 = 30 (mm) Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 51
Hình 10: Chốt piston khi lắp ghép
Chốt piston được xem như một dầm tự do đặt trên hai gối đỡ, và để đơn giản hóa quá trình tính toán, lực phân bố được coi như trong sơ đồ hình vẽ.
Khi có lực khí thể cực đại Pz, chốt piston chịu uốn lớn nhất tại tiết diện I-I ở giữa chốt Ứng suất uốn xác định theo công thức:
= = = Thay các giá trị đã viết vào:
= − − = (MN/m 2 ) Ứng suất uốn cho phép : u = 150 250 ( MN / m 2 ) - Thép hợp kim
Kết luận: =u 210 = u 150 250(MN / m ) 2 - Chốt đảm bảo điều kiện uốn
Chốt piston chịu cắt ở tiết diện II-II Ứng suất cắt được xác định theo công thức: Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 52 cp z c F
Trong đó: F cp - Tiết diện ngang của chốt piston
= = Thay số vào công thức tính ứng suất cắt: z 2 c cp
= = Ứng suất cắt cho phép: c = ( 50 70 )( MN / m 2 ) - Thép hợp kim
Kết luận: =c c (50 70)(MN / m ) 2 Chốt piston thỏa điều kiện ứng suất cắt
Có thể tăng đường kính rỗng bên trong chốt piston
3.3 Áp suất tiếp xúc với đầu nhỏ thanh truyền
Tính áp suất tiếp xúc trên đầu nhỏ thanh truyền nhằm mục đích kiểm tra điều kiện bôi trơn chốt piston Kiểm tra theo công thức sau: z 2 d d ch
= = Với chốt piston lắp ghép cố định: Kd 0 40(MN / m ) 2
Để đảm bảo điều kiện áp suất tiếp xúc giữa chốt piston và đầu nhỏ thanh truyền, chúng ta có thể tăng đường kính ngoài của chốt piston.
Do lực tác dụng trên chốt piston không đồng đều dẫn tới hiện tượng biến dạng hình ovan vị trí biến dạng nhiều nhất tại khoảng giữa chốt
Với k=1,5 15− ( −0, 4 ) 3 = 1,5 15 0,357 0, 4− ( − ) 3 =1,501 Độ biến dạng tương đối: Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 53 max cp cp d 0,00586
= = = < 0,002 nên đảm bảo độ biến dạng chốt piston
Hình 11: Ứng suất biến dạng của chốt piston
Khi chốt bị biến dạng thành ovan, ứng suất biến dạng trên các điểm 1, 2, 3, 4 của tiết diện ngang chốt hình trên có thể theo công thức sau:
Ta thấy điểm 1 và 4 chịu ứng suất kéo lớn, điểm 2 và 3 chịu ứng suất nén
Theo kết quả tính toán, mặt trong của chốt thường chịu ứng suất lớn hơn, dẫn đến việc chốt piston thường bị rạn nứt ở mặt trong Ứng suất kéo tại điểm 1 ở mặt ngoài ( = 0) được tính theo công thức cụ thể.
Ứng suất nén tại điểm 3 mặt ngoài:
Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 54
Ứng suất nén tại điểm 2 mặt trong:
Ứng suất kéo tại điểm 4 mặt trong:
Điểm 2 có ứng suất nén lớn nhất, trong khi điểm 4 có ứng suất kéo lớn nhất Với ứng suất cho phép từ 60 đến 170 MN/m², chốt piston đáp ứng điều kiện ứng suất biến dạng.
Kiểm bền xéc-măng không đẳng áp
Tính toán xecmăng được thực hiện dựa trên giả thiết coi xecmăng như một dầm cong, với lực phân bố trên bề mặt làm việc phụ thuộc vào kiểu xecmăng, có thể là đẳng áp hoặc không đẳng áp.
Tính kiểm nghiệm xecmăng không đẳng áp Áp suất ở phần miệng xecmăng rất lớn Tính theo phương pháp Ghinxbua trong phạm vi kich thước xéc-măng có:
+ Hệ số quan hệ với mô men uốn cực đại, C m =1,8;
+ Mô đun đàn hồi của gang, E=1, 2.10 (MN / m ) 5 2 ; Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 55
+ Hệ số phụ thuộc đường cong phân bố áp suất, =0,196;
+ Hệ số gia công (gia công lần hai ), g=1, 25;
+ Độ mở miệng xéc măng ở trạng thái tự do A :
4.1 Ứng suất uốn xéc-măng ở trạng thái làm việc
Mặt khác, ứng suất uốn xéc-măng cho phép ở trạng thái làm việc =lv 200 300 nên thỏa mãn
4.2 Ứng suất uốn xéc-măng khi lắp vào piston u 2
Ta có =u 300 350 nên chưa thỏa mãn
4.3 Ứng suất khi gia công phôi xéc-măng u3 u1 (1, 25 1,3) u1 264,93 275,52
4.4 Áp suất bình quân của xéc-măng không đẳng áp tác dụng lên mặt xylanh
− − Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 56
4.5 Quy luật phân bổ áp suất không đẳng áp của xéc-măng có thể vẽ gần đúng theo công thức sau: p= .ptb (MPa)
Hệ số thay đổi theo góc α tính từ ngàm của thanh cong kê trong bảng sau: α (độ) 0 30 60 90 120 150 180 φ 1.051 1.047 1.137 0.896 0.456 0.670 2.861 p (MN/m 2 ) 0.1513 0.15077 0.1637 0.1290 0.066 0.096 0.412
Bảng 10: Phân bố áp suất không đẳng áp của xéc-măng theo α
Ta thấy áp suất ở vùng miệng xéc-măng có trị số lớn nhất.
Kiểm bền piston bằng phần mềm CATIA P3 V5R21
Quy trình tiến hành kiểm bền piston bằng CATIA được thực hiện theo trình tự gồm
- Thiết kế 3D chi tiết piston
- Mô phỏng 3D các thành phần tác động tới piston
- Đưa ra kết quả và nhận xét
5.1 Thiết kế 3D chi tiết piston
Dựa vào bản vẽ kết cấu và các thông số của piston động cơ đã cho, chúng ta sẽ tiến hành xây dựng mô hình 3D chi tiết piston Để thực hiện điều này, hãy mở modul “Part Design” trong CATIA và làm theo các bước chính sau đây.
Bước đầu tiên trong quá trình thiết kế piston là tạo hình dáng cơ bản bằng cách sử dụng "Sketch1" trên mặt phẳng "XY plane" với biên dạng đã được xác định Sau đó, kết hợp lệnh "Shaft" để tạo ra khối tròn xoay từ "Sketch1", với trục quay là trục "YZ".
Hình 12: Thông số Sketch 1 Hình 13: Tạo khối từ Sketch 1 bằng Shaft
Bước 2:Để thuận tiện cho việc thực hiện các bước kế tiếp như đục lỗ, phay, tạo trụ bậc, ta tiến hành cắt đôi piston bằng lệnh “Split”
Hình 14: Lệnh Split cắt khối theo mặt phẳng được chọn
Bước 3: Dùng lệnh “Groove” dựa trên “Sketch 2” để tạo đỉnh omega Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 58
Hình 15: Lệnh Groove khoét khối theo hình 1 góc quay từ 1 biên dạng kín
Bước 4: Tạo khối là bệ chốt piston bằng lệnh “Pad” với “Sketch 3” đường kinh tương ứng với kích thước trụ
Hình 16: Lệnh Pad tạo khối từ hình tròn với chiều sâu khối đến khi giao với mặt trong piston
Bước 5: Đục lỗ cho bệ chốt bằng lệnh “Pocket” với “Sketch 4” đường kính tương ứng với kích thước lỗ cần đục Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 59
Hình 17: Lệnh Poket đục lỗ từ hình tròn tạo từ Sketch 4
Bước 6: Phay vật liệu phần đầu chốt piston bằng lệnh “Pocket”
Hình 18: Lệnh Pocket phay vật liệu
Bước 8 trong quy trình lắp chốt piston là tạo trụ bậc nhằm thiết lập cơ cấu hãm chuyển động dọc trục của chốt piston Để thực hiện điều này, chúng ta sử dụng lệnh “Groove” kết hợp với “Sketch 5”, tạo thành một hình chữ nhật.
Hình 19: Lệnh Groove khoét trụ bậc
Bước 7: Lấy đối xứng nửa piston hiện có để khi tiến hành khoan lỗ thoát dầu nó được chuẩn xác, sử dụng lệnh “Mirror”
Hình 20: Lệnh Mirror lấy đối xứng
Bước 9: Cắt bớt vật liệu phần chân piston bằng lệnh “Pocket” với “Sketch 5” Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 61
Hình 21: Lệnh Poket cắt vật liệu ở chân piston
Bước 10: Khoan các lỗ dẫn dầu để bôi trơn bệ chốt piston và chốt piston bằng lệnh
Hình 22: Tạo lỗ dẫn dầu bằng lệnh Multi Pocket
Bước 11: Tạo lỗ thoát dầu bằng cách sử dụng lệnh “Pocket” để tạo một lỗ đầu tiên, sau đó áp dụng lệnh “CircPattern” để nhân bản lỗ theo số lượng đã được tính toán trước.
Hình 23: Tạo lỗ thoát dầu Hình 24: Tạo lỗ thoát dầu
Bước 12: Ta chọn vật liệu cho piston bằng lệnh “Apply Material” là Aluminium (Nhôm)
Hình 25: Mô hình hoàn thiện sau khi gắn vật liệu
5.2 Mô phỏng 3D các thành phần tác động tới piston
Ta chuyển môi trường làm việc từ “Part Design” sang môi trường mô phỏng
Để mô phỏng 3D các thành phần tác động đến piston, bước đầu tiên là chọn phương pháp cố định piston Trong trường hợp này, chúng ta sử dụng lệnh “Clamp” để cố định piston tại vị trí chốt, như được thể hiện trong Hình 28.
Bước 2: Đặt tải vào piston Đồ án chuyên ngành ô tô 2 Trang 63
- Nhiệt độ Tp0k của piston (Hình 26)
- Áp suất khí thể tác dụng lên đỉnh piston, Pzmax = 5,956 MPa (Hình 27)
Hình 26: Thêm nhiệt độ cho piston Hình 27: Đặt áp suất tác dụng lên đỉnh
Sau khi kết thúc bước 1 và 2 ta thu được kết quả như Hình 28
Hình 28: Piston và các yếu tố tác động đến nó
Bước 3: Tính toán và mô phỏng
Sử dụng chức năng "Computation" để phần mềm thực hiện tính toán và mô phỏng hình dạng cũng như độ biến dạng của piston dưới tác động của các yếu tố đã được thiết lập ở bước 2.
Vì khối lượng tính toán và mô phỏng rất lớn khi đặt đầy đủ các thành phần tác động lên piston, máy tính có thể gặp tình trạng "Not responding" và không thể thực hiện tính toán Do đó, chúng ta chỉ xem xét hai yếu tố chính là áp suất khí tác động lên đỉnh piston và nhiệt độ của piston, nhằm giảm khối lượng tính toán Hai yếu tố này cũng đủ để đánh giá phần nào về độ bền của piston.
5.3 Đưa ra kết quả và đánh giá
Xem kết quả, in kết quả và đánh giá
Utilize commands such as "Deformation," "Von Mises Stress," and "Displacement" to visualize temporary simulation images, and consider integrating "Animation" to create a video showcasing the deformation of the piston.
Dùng lệnh “Generate Report” để xem toàn bộ kết quả tính toán và in kết quả ra thành báo cáo dưới dạng file html nếu cần
Hình 29: HÌnh ảnh minh họa kết quả khi dùng lệnh Defomation
Kết quả phân tích cho phép xác định các vùng nguy hiểm trên piston, từ đó có biện pháp khắc phục Chẳng hạn, vùng đầu piston chịu áp suất và nhiệt độ cao do tiếp xúc với sản phẩm cháy, dẫn đến độ giãn nở lớn Mặc dù vùng chân piston không chịu nhiệt độ cao, nhưng lực khí ép làm thân piston biến dạng theo chiều đường tâm chốt, gây phân bố vật liệu không đều Kim loại tập trung ở phần bệ chốt, khi chịu nhiệt, chân piston bị choãi ra ngoài, gây nguy cơ piston bị bó trong xy-lanh Để khắc phục, nên thiết kế thân piston có dạng ôvan với trục ngắn trùng với đường tâm chốt và bố trí vành đai ở chân piston để tăng độ cứng vững.
Trong quá trình thực hiện Đồ án chuyên ngành ô tô 2, nhờ sự nỗ lực của bản thân và sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Duy Tiến, tôi đã hoàn thành tốt nhiệm vụ được giao.
Trong đồ án này, em đã hoàn thành những công việc sau:
2) Vẽ các đồ thị áp suất, T, Z, …
3) Tính bền chi tiết piston theo công thức tính toán và phần mềm CATIA
4) Vẽ bản vẽ chi tiết và 3D chi tiết piston
Vì thời gian có hạn và kiến thức cũng như kinh nghiệm còn thiếu, đồ án của em vẫn còn nhiều thiếu sót Em rất mong nhận được sự đóng góp và hướng dẫn từ các thầy trong bộ môn để hoàn thiện đồ án, đồng thời nâng cao kiến thức cá nhân.
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên Long Kiều Văn Long
